1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽雙向DC-DCDC-DC變換器（A A題）學(xué)號：14407201171440720117呂剛20152015年1212月3030日本設(shè)計(jì)主要由雙向DC-DC變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片,最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%,升壓部分采用XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。包流部分采用PWM控制原理，形成一個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定，包壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，包壓放電，過壓保護(hù)功能，并

2、且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。在本次設(shè)計(jì)中包壓部分完全有硬件控制， 硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路， 對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，包流部分由PWM調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。關(guān)鍵字電池充放電升壓降壓XL4016XL6019STM32一、系統(tǒng)方案11、雙向DC-DC變換電路的論證與選擇12、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇13、控制方法的論證與選擇1二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2三、電路與程序設(shè)計(jì)31、電路的設(shè)計(jì)3(1)系統(tǒng)總體框圖32、程序的設(shè)計(jì)5(1)程序功能描述與設(shè)計(jì)思路5(2)程序流程圖63、程序流程圖7四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析7附錄1:電路原理圖9附錄2:源程序

3、10II雙向DC-DCDC-DC變換器（A A題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本設(shè)計(jì)主要由雙向DC-DC變換電路、測控顯示電路、輔助電源三部分構(gòu)成，其中雙向DC-DC變換電路降壓部分采用XL4016開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%,升壓部分采用XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片，具有低紋波，輸入范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。恒流部分采用PWM控制原理，形成一個(gè)閉環(huán)回路，控制電流恒定，恒壓部分完全由硬件控制，單片機(jī)輔助控制的方式。以上部分確保系統(tǒng)滿足題目要求，實(shí)現(xiàn)恒流充電，恒壓放電，過壓保護(hù)功能，并且有著較高的轉(zhuǎn)換效率。1 1、雙向DC-DCDC-DC變換電路的論證與選擇方案1:由降壓斬

4、波變換電路 （即Buck變換電路） 和升壓斬波變換電路 （即Boost電路）組成雙向DC-DC變換電路，分別各使用一個(gè)全控型器件VT（IGBT或MOSFET,對輸入直流電源進(jìn)行斬波控制通過調(diào)整全控型器件VT的控制信號占空比來調(diào)整輸出電壓。方案2:采用XL4016開關(guān)型降壓芯片和XL6019開關(guān)型升壓/降壓芯片構(gòu)成升壓、 降壓電路具有低紋波，內(nèi)助功率MOSft有較高的輸入電壓范圍，內(nèi)置過電流保護(hù)功能與EN引腳邏輯電平關(guān)斷功能。綜合以上兩種方案，考慮到時(shí)間的限制，選擇了比較容易實(shí)現(xiàn)的方案2。2 2、測量控制方案和輔助電源的論證與選擇由于瑞薩單片機(jī)開發(fā)套件數(shù)量有限，所以我們選擇了一款相對便宜，速度快

5、，性價(jià)比較高的STM32103V8T6作為控制器，顯示部分由于收到題目對作品重量的要求，選擇了質(zhì)量輕，分辨率較高的0.96寸OLED屏幕顯示。由于市場上所售開關(guān)電源模塊的，紋波大的因素，所以輔助電源選擇了一個(gè)較小的9V變壓器，進(jìn)行，整流濾波作為輔助電源。3 3、控制方法的論證與選擇方案 1:1:采用PWM調(diào)節(jié)占空比的方法控制降壓芯片的控制端，達(dá)到控制恒流和控制恒壓的目的，采用PWM調(diào)節(jié)軟件較為復(fù)雜，而且PWM調(diào)節(jié)較為緩慢，軟件控制難度大。方案 2:2:恒壓部分完全有硬件控制， 硬件自身形成一個(gè)閉環(huán)控制回路， 對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)使其恒定題目要求的精度范圍。單片機(jī)通過光耦電路的工作與停止，恒流部分由P

6、WM調(diào)節(jié)占空比，使其恒流。綜合以上兩種方案，選擇軟件較為簡單，硬件較為復(fù)雜的方案2。、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、充電電路設(shè)計(jì)分析充電電路也就是一個(gè)降壓電路，并且要求是一個(gè)恒流源，本次競賽選取心降壓芯片，具結(jié)構(gòu)如圖所示。管腳定義如下典型應(yīng)用電路如下2.22.2放電電路設(shè)計(jì)分析XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5VgJ40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOSXL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。PWM空制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090%d句線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下BoostConverterInput1

7、2VInput12V 22V22VOutput24V24V/ /1.5AVOCT=L25*(UR2/R1)5AVOCT=L25*(UR2/R1)2.12.1充電電路設(shè)計(jì)分析XL4016為核VINVINCINCIN220uF/35V220uF/35VVIXC1C1106106DIMBRD1045DIMBRD1045SW34XL6019XL60195 512 2GNDGND0FBR2R249.9K49.9K1%R1R12.7K2.7K1%1%C2C210105 5COLT220uF/3COLT220uF/35V5V11115 機(jī)七號AXI40XI4016Mlll-l.n=L.23*(l+lGlt|

8、)lOtrn=L.23*(l+lGlt|)lOtrr-flIttr-flIttCOLTCOLTiatKliF/2iatKliF/2 幫LI47UH/5A47UH/5A充電電路也就是一個(gè)降壓電路， 并且要求是一個(gè)恒流源,核心降壓芯片，具結(jié)構(gòu)如圖所示。XL4016降壓模塊電路圖如下所示VIVI，4747 仙 F F；鈿一2.22.2放電電路設(shè)計(jì)分析XL6019是一款專為升壓、升降壓設(shè)計(jì)的單片集成電路，可工作在DC5VgJ40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOSXL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。PWM!制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090應(yīng)間線性變化。內(nèi)置過電流保護(hù)功能與EN腳

9、邏輯電平關(guān)斷功能。典型應(yīng)用電路如下BoostConverterInput12V12V 22V22VOutput24V24V/ /l lr r5A5AVOLTVOLTU ULMML+RZ/RDLMML+RZ/RD三、電路與程序設(shè)計(jì)1 1、電路的設(shè)計(jì)(1)(1)系統(tǒng)總體框圖本次競賽選取XL4016為VTNDIMBRD1045MBRD1045VIXSW34XL6Q191GNDFBCIN220uF/35VC1C1105R249,49,9K9K1%R1R12.72.7K K現(xiàn)C2C2105COUT220uF/3COUT220uF/35V5VXL4DI6Wl-ClittLILI47uR/l2HC2Ifti

10、illEillE4 4Ll47UH/5A輔助電源測控電路(圖3-1)系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示，主要由輔助電源、測控電路、雙向DC-DC變換電路等組成，輔助電源為測控電路供電， 測控電路用于檢測和控制雙向DC-DC電路， 以及電壓電流的采集與控制。(2)(2)降壓電路原理降壓電路采用XL4016型8A,180KHz,40V,PWM降壓型直流對直流轉(zhuǎn)換器，最大效率可達(dá)96%。輸出1.25V到36V可調(diào)，8A恒定輸出電流能力。如下圖3-2所示為XL4016降壓部分電路圖，通過對FB引腳的控制，可有效的實(shí)現(xiàn)電流及電壓的控制。該轉(zhuǎn)換器外圍器件少，低紋波，調(diào)節(jié)簡單，內(nèi)置短路保護(hù)功能。PWM占空比0%到1

11、00%連續(xù)可調(diào)。(圖3-2)(3)(3)升壓電路原理圖升壓電路使用XL6019型220KHz、60V、5A開關(guān)電流升壓/降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。可工作在DC5V到40V輸入電壓范圍，低紋波，內(nèi)置功率MOS、XL6019內(nèi)置固定頻率振蕩器與頻率補(bǔ)償電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。PWM控制環(huán)路可以調(diào)節(jié)占空比從090%之間線性變化。 內(nèi)置過流保護(hù)功能與EN腳邏輯電平關(guān)斷功能。 使用單片機(jī)控制EN引腳實(shí)現(xiàn)對升壓模塊開啟與關(guān)斷。(圖3-3)(4)(4)測控電路電路原理圖測控電路如圖3-4所示，通過電阻分壓濾波后，使用單片機(jī)ADC采樣，得到輸入、雙向DC-DC變換電路直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，以及電流和2.5V基準(zhǔn)電

12、壓，使用TL431產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓用于矯正。恒壓恒流控制使用單片機(jī)輸出PWM,經(jīng)濾波后使用LM358跟隨，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)可減小輸入控制端的能量消耗。使用比較器比較設(shè)定值與輸出值，再控制芯片的工作狀態(tài)。(圖3-4)電源為減小高頻干擾， 輔助電源使用220V到9V普通變壓器， 經(jīng)整流濾波后使用7812和HT7333分別輸出12V和3.3V電壓為LM358和單片機(jī)小系統(tǒng)板供電。2 2、程序的設(shè)計(jì)(1)(1)程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1 1、程序功能描述根據(jù)題目要求，軟件部分實(shí)現(xiàn)測量顯示，切換模式，充電過壓保護(hù)，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)2 2、程序設(shè)計(jì)思路(1)、首先進(jìn)行，按鍵，OLED各個(gè)內(nèi)設(shè)初始化；(2)

13、、進(jìn)行按鍵掃描；(3)、判斷模式；(4)、進(jìn)行PWM控制電流，讓輸出為橫流模式；(5)、掃描按鍵；(6)進(jìn)行打開光耦，讓升壓模塊工作;ulula a. .小七旺帶E*JCE*JC明愎更IJTIJT.1*IJW.1*IJW1 1:卜唱-由以=刈H H/ /工JLJLILILG.G.ididJtJt3 3 程序流程圖1、系統(tǒng)總框圖Vin/Vout2、程序流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)四、測試儀器與數(shù)據(jù)分析4.1測試儀器5位半數(shù)字萬用表，4位半萬用表4.2測試數(shù)據(jù)與分析(1)U2=30驚件下對電池恒流充電，電流I1在1-2A變化過程中測量值如下表:按按鍵次數(shù)12345678910I1測量值(A)10.991.011

14、.061.071.101.121.141.161.17設(shè)定I1=2A,使U2在24-36V范圍內(nèi)變化時(shí)，測量記錄I1的值。數(shù)據(jù)如下:U2(V)24252627282930313236一I1(A)1.991.981.981.991.971.981.991.962.011.99(3)設(shè)定I1=2A,在U2=30V測量U1,I2,計(jì)算效率。數(shù)據(jù)如下：當(dāng)I1=2A,U2=30VM,測得I2=1.47A,U1=20V由止匕計(jì)算效率為97%(4)放電模式下，保持U2=30V計(jì)算效率，數(shù)據(jù)如下：當(dāng)U2=30V時(shí)，I2=1.02A,U1=18.9V,I1=0.63A,由此計(jì)算效率為98%(5)使US在32-3

15、8V范圍內(nèi)變化時(shí)U2記錄如下：Us/V32333334353637U2/V29.729.8129.829.929.830.330.4以上數(shù)據(jù)可以說明，本次設(shè)計(jì)的雙向DCD囁換器，各項(xiàng)指標(biāo)均在題設(shè)范圍內(nèi)，是符合要求的。附錄1:1:電路原理圖nEhnWUTWUT IOUT一即F F且聚丫邛即FEF1加3C3.+CI43C3.+CI4口L L：WTWT3131“1 1i.1thi.1thK K牌匚1yLM1HLM1H二:門戶二強(qiáng)ibducnar|JMCKJTAJNHwTCKJTAJNHwT+用&QUT.BQUT.BdtDLT：-d dRI3RI3：! !?J5?J5l.l.LOKLOKLub

16、dorIrLubdorIr DIDIfFlU-!322三口需4-r-jOXDOXDM M-30ER-30ER電卬的人希憚電浪盤計(jì)與JAJAJtfflJtffl電用西塘由壓力H*H*血的博 F 晤事良膽王出1K71K7StnStn-I-ILKLKIfer；認(rèn)WRWRf fYUYUJPATHD1廝以大二+flh所以W 群和明解kN 塔.百戰(zhàn)岐J J；岡一的彳英a aTBTB工TOUTTOUTNCNCNCNC?gJNi?gJNi-m*43-m*43NDLVENDLVEE ENCNCNCcxmNCcxmM-DQtGM-DQtGNDJNDJVCCVCC1111“3二5 5亨1131JU:】 。附錄2:2

17、:源程序#include#include#include#include#lnclude#lncludeunsignedcharReadADC(unsignedcharChl);/ADEunsignedcharReadADC(unsignedcharChl);/ADE 樣，有返回值voidDAC(unsignedcharData);voidDAC(unsignedcharData);voiddelay(unsignedcharj);voiddelay(unsignedcharj);unsignedintdatpro(void);unsignedintdatpro(void);voidled(i

18、ntg,inta);voidled(intg,inta);voidout_AD_led();voidout_AD_led();voidDA_out();voidDA_out();sbitkey_1=P3A4;sbitkey_1=P3A4;sbitkey_2=P3A5;sbitkey_2=P3A5;sbitduan=P2A6;sbitduan=P2A6;sbitwei=P2A7;sbitwei=P2A7;sbitinO=P3A2;sbitinO=P3A2;unsignedcharcodeunsignedcharcodetable=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x

19、6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00);table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00);unsignedcharnum=102;/DAunsignedcharnum=102;/DA 數(shù)模輸出變量初始值intmain()intmain()while(1)while(1)DA_out();DA_out();DAC(num);out_AD_led();DAC(num);out_AD_led();) )一一voidout_AD_led()/voidout_AD_led()/ 一

20、一 led(1,datpro()/1000);led(1,datpro()/1000);led(2,datpro()%1000/100);led(2,datpro()%1000/100);led(3,datpro()%100/10);led(3,datpro()%100/10);unsignedcharReadADC(unsignedcharCh)/unsignedcharReadADC(unsignedcharCh)/讀取 ADAD 模數(shù)轉(zhuǎn)換的值，有返回值unsignedcharData;Start();/unsignedcharData;Start();/寫入芯片地址Send(AddWr)

21、;Ack();Send(AddWr);Ack();10Send(0 x40|Ch);/Send(0 x40|Ch);/寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自行添加/Ch/Ch 的值分別為 0 0、1 1、2 2、3,3,分別代表 1-41-4 通道Ack();Start();Send(AddRd);Ack();Start();Send(AddRd);讀入地址Ack();Data=Read();Ack();Data=Read();讀數(shù)據(jù)Scl=0;NoAck();Stop();returnData;/Scl=0;NoAck();Stop();returnData;/返回值返回值uns

22、ignedintdatpro(void)/unsignedintdatpro(void)/unsignedintdianyah,dianyal;unsignedintdianya=0;unsignedcharx;unsignedintdianyah,dianyal;unsignedintdianya=0;unsignedcharx;/DA/DA 輸出/電壓采樣數(shù)據(jù)處理/數(shù)碼管顯示/輸出采樣電壓 1 1for(x=0;x6;x+)for(x=0;x4;dianyah=dianyah4;dianyal=dianya&0 x0f;dianyal=dianya&0 x0f;dianya

23、=dianyal*20+dianyah*310;return(dianya);dianya=dianyal*20+dianyah*310;return(dianya); voidDA_out()/voidDA_out()/ 一 if(key_1=0)if(key_1=0)delay(10);while(key_1=0);num=num-1;delay(10);while(key_1=0);num=num-1;if(key_2=0)if(key_2=0)一 delay(10);while(key_2=0);num=num+1;delay(10);while(key_2=0);num=num+1;

24、11 voidDAC(unsignedcharData)/voidDAC(unsignedcharData)/( (Start();Start();Send(AddWr);/Send(AddWr);/寫入芯片地址Ack();Ack();Send(0 x40);/Send(0 x40);/寫入控制位，使能 DACDAC 輸出Ack();Ack();Send(Data);/Send(Data);/寫數(shù)據(jù)Ack();Ack();Stop();Stop(); voidled(intg,inta)/voidled(intg,inta)/( (if(g=1)if(g=1)( (P0=0Xfe;P0=0Xf

25、e;wei=1;wei=1;wei=0;wei=0;P0=tablea;P0=tablea;duan=1;duan=1;delay(2);delay(2);duan=0;duan=0; if(g=2)if(g=2)( (P0=0Xfd;P0=0Xfd;wei=1;wei=1;wei=0;wei=0;P0=tablea0 x80;P0=tablea0 x80;duan=1;duan=1;delay(2);delay(2);duan=0;duan=0; if(g=3)if(g=3)( (P0=0Xfb;P0=0Xfb;wei=1;wei=1;wei=0;wei=0;P0=tablea;P0=tab

26、lea;duan=1;duan=1;delay(2);delay(2);duan=0;duan=0;12P0=0Xf7;P0=0Xf7;wei=1;wei=1;wei=0;wei=0;P0=0 x3e;P0=0 x3e;duan=1;duan=1;duan=0;duan=0; voiddelay(unsignedcharj)/voiddelay(unsignedcharj)/( (unsignedinti;unsignedinti;for(;j0;j-)for(;j0;j-)for(i=0;i125;i+);for(i=0;i125;i+); #include#include#defineAd

27、dWr0 x90#defineAddWr0 x90寫數(shù)據(jù)地址#defineAddRd0 x91/#defineAddRd0 x91/讀數(shù)據(jù)地址sbitRST=P2A4;/sbitRST=P2A4;/關(guān)掉時(shí)鐘芯片輸出sbitSda=P2A0;sbitSda=P2A0;定義總線連接端口sbitScl=P2sbitScl=P2A1;1;時(shí)鐘信號voidStart(void)voidStart(void)啟動(dòng) IICIIC 總線( (Sda=1;Sda=1;_nop_();_nop_();Scl=1;Scl=1;_nop_();_nop_();Sda=0;Sda=0;_nop_();_nop_();S

28、cl=0;Scl=0; voidStop(void)/voidStop(void)/停止 IICIIC 總線( (Sda=0;Sda=0;_nop_();_nop_();Scl=1;Scl=1;_nop_();_nop_();13Sda=1;Sda=1;_nop_();_nop_();Scl=0;Scl=0; voidAck(void)/voidAck(void)/血答 IICIIC 總線( (Sda=0;Sda=0;_nop_();_nop_();Scl=1;Scl=1;_nop_();_nop_();Scl=0;Scl=0;_nop_();_nop_(); voidNoAck(void)/voidNoAck(void)/非應(yīng)答 IICIIC 總線( (Sda=1;Sda=1;_nop_();_nop_();Scl=1;Scl=1;_nop_();_nop_();Scl=0;Scl=0;_nop_